包层是中国聚变工程试验堆（CFETR）的关键部件之一,它发挥着能量转移、氚增殖以及对超导磁体等关键部件辐射屏蔽的作用。包层第一壁直接面向等离子体,在包层中承受最大的面热流,水冷包层内部的颗粒球床则用于氚增殖和中子倍增。因此,针对水冷包层第一壁和颗粒球床性能的研究对整个水冷包层设计的安全性和稳定运行具有非常重要的意义。本文主要基于中国聚变工程试验堆（CFETR）的设计参数,开展了聚变堆水冷包层第一壁的优化设计和颗粒球床的性能研究。首先基于雷诺平均的RANS方法对复杂结构中的湍流流动和传热过程进行数值求解,在不同的面热流下对第一壁进行了优化设计。为降低第一壁的热应力,钨铠甲与第一壁之间设置了铜过渡层,在钨铠甲及铜过渡层上均匀设置了 16个减压槽。为有效的降低氚渗透,在第一壁管道内增加了 FeCrAl合金。其次对流道内壁面结构基于三维光滑方管、带直肋方管及带V型肋方管,分别进行了强化换热改进研究。使用湍流换热理论进行了流道流场分析和温度场分析,并使用热线、场协同等方法对包层第一壁强化换热机理进行了深入分析研究。同时针对第一壁综合换热性能,从熵产和火积耗散的角度分析了增加肋片的强化换热效果,对强化换热方法及原理进行了补充,为水冷包层第一壁流道换热优化提供了有效方法和借鉴。本文在CFETR水冷包层第一壁优化设计研究的基础上,基于离散元方法对增殖球床的热力学性能开展了分析,对不同温度及压力扰动下的混合球床特性开展了研究。此外,针对水冷包层在磁场下作用的特点,发展了耦合计算程序,对中子倍增剂颗粒球床在磁场下的扰动开展了研究。同时基于EDEM和CFD耦合对颗粒球床流动的特性进行了分析,并进一步对颗粒球床的压降进行了分析,拟合了计算的经验关系式。通过对第一壁的优化分析和颗粒球床性能研究,得出以下结论:（1）第一壁前缘壁厚固定为3 mm,阻氚层FeCrAl的厚度优化为0.5mm,加肋片后流道换热增强明显,肋片高度增加可以进一步促进换热,第一壁采用V形肋片的结构能够取得更优的综合热力学性能;（2）包层在温度、压力、磁场扰动下混合颗粒球床的填充密度会变大,得到了混合颗粒球床在扰动下的基本变化规律,混合球床的温度和颗粒小球粒径比以及颗粒之间的高低摩擦力对球床流动性能的变化规律。本文的研究方法和结果可以用于开展第一壁的综合性能分析,为第一壁的优化设计提供了理论基础,为未来的相关部件的热分析研究提供了参考。得到的混合颗粒球床在扰动下的变化规律,为固态包层安全可靠设计提供了依据,为未来中国聚变工程试验堆（CFETR）的包层建设提供了参考。